Chapitre IV boue
Etude et technologie de la pompe à
IV-1 IV-1 DEFINITION DE LA POMPE C’est une machine qui sert à élever le liquide ou le mélange d’un liquide avec des corps solides d’un niveau inférieur à un niveau supérieur, ou à refouler les liquides d’une région à faible pression vers une région à haute pression. Le fonctionnement fonctionnement d’une pompe consiste à produire produire une différence différence de pression pression entre la région d’aspiration « entrée de la pompe » et la région de refoulement « sortie de la pompe ». Les pompes transmettent au liquide qu’elles véhiculent l’énergie mécanique provenant d’une source d’énergie quelconque extérieure.
IV-2 IV-2 CLASSIFICATION CLASSIFICATION DES POMPES l existe existe deux grands t!pes de pompes pompes " les pompes pompes volumétriqu volumétriques es et les turbopompes. IV-2-1 Turbopompes Ce t!pe de pompe se divise en trois classes de turbopompes "
Les pompes centrifuges, à écoulement radial #
Les pompes axiales, à écoulement axial #
Les pompes hélio centrifuges, à écoulement mixte.
IV-2-2 IV-2-2 Pompes volumétriques $ous appelons pompe volumétrique les appareils appar eils assurant assur ant l’augmentation de l’énergie d’un liquide dont le principe de fonctionnement est basé sur la variation du volume d’un espace qui est relié alternativement à la conduite d’aspiration et la conduite de refoulement.
a) Pompes volumétr!ues rotatves " Ces pompes pompes sont des pompes pompes volumétriq volumétriques ues ou le refoulement refoulement est assuré par le mouvement rotatif ou bien alternatif et rotatif en m%me temps des éléments de refoulement.
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#) Pompes volumétr!ues $ psto% (lles utilisent un piston qui effectue un mouvement rectiligne dans un c!lindre muni de valves, qui régulent le débit du liquide dans le c!lindre.
)ans une pompe à piston, piston, on emprisonne emprisonne un certain certain volume volume de liquide liquide dans un c!lindre pour générer la pression sous une force mécanique sur le piston. Le c!lindre dispose de deux soupapes l’une pour l’aspiration et la seconde pour assurer le refoulement, ces derni*res s’ouvrent et se referment sont l’action de la pression du liquide. Les pompes à piston sont classées selon plusieurs crit*res " + selon selon le mode mode d’ent d’entrara-nem nement ent "
pompe à action directe #
pompe à mécanisme bielle manivelle. manivelle.
selon selon le le nombre nombre de de c!lind c!lindre re "
pompe simplex « + c!lindre » #
pompe duplex « c!lindres » #
pompe triplex « & c!lindres ».
& selon le princip principee de fonctionnem fonctionnement ent "
pompe à simple effet #
pompe
à double effet.
IV-& IV-& LES POMPES A 'O(E DE FOA*E FOA*E La circulation de la boue lors d’un forage nécessite l’utilisation de pompes puissantes. /ne bonne installation de pompage pompage doit assurer " une vitesse de remontée des déblais suffisante pour éviter leur décantation, une pression pression de refoulement refoulement suffisante suffisante pour vaincre vaincre les pertes de charges charges dans le circuit. (n dehors de sa puissance et son débit, une pompe doit %tre
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souple, robuste et facile à entretenir. Les pompes de forage utilisées sont généralement de t!pe « triplex à simple effet ». IV-3-1 va!ta"es et i!#o!vé!ie!ts $es pompes triple%
a& va!ta"es 1acilité d2entretien et de surveillance. Les chemises sont apparentes, toute fuite aux pistons est vite décelée. Les interventions sur la pompe sont faciles et rapides du fait du faible poids des pi*ces d2usure, de l2absence du presseétoupe et de la simplicité du 3oint de chemise. 4ouplesse dans l2utilisation qui permet " )es débits importants à des pressions non négligeables # )es débits faibles ou mo!ens à des pressions élevées # 1aible poids et encombrement.
b& I!#o!vé!ie!ts 4uralimentation nécessaire par le mauvais remplissage 5si*ges et clapets tr*s petits et battements tr*s rapides6. l est donc indispensable d2avoir une pompe centrifuge de suralimentation. $écessité de refroidissement et lubrification de la chemise et de l2arri*re des pistons. IV-3-2 Pri!#ipe $e 'o!#tio!!eme!t $e la pompe triple% Ce sont des pompes qui comportent trois c!lindres dans lesquels coulissent trois pistons à simple effet, c2estàdire que chaque piston aspire et refoule d’un seul c7té 5figure 8+6. Chaque c!lindre comporte un clapet d’aspiration et un autre de refoulement à l’avant seulement. Lorsque le piston se déplace vers l’arri*re 59:;6, le clapet d2aspiration s’ouvre et celui de refoulement se ferme, la chemise se remplit de boue.
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Lorsque le piston arrive en fin de course et revient vers l’avant59:=6, le clapet d2aspiration se ferme et celui de refoulement s2ouvre, et la boue est ainsi refoulée dans la conduite de refoulement. Le m%me c!cle se produit par les autres pistons avec un décalage de +>& de tour. )e'ouleme!t
spiratio! (F/ure IV-.1&
9ompe triplex à simple effet
IV-+ PESENTATION DE LA POMPE , 'O(E OIL ELL A 1+.. PT C’est une pompe volumétrique alternative à mécanisme bielle manivelle, de t!pe triplex à simple effet. 9our ce t!pe de pompe les manivelles sont décalées à +8? degrés, et le nombre de clapets est de @ 5& à l’aspiration et & au refoulement6. (lle se compose de deux parties principales montées sur un chassie sAid qui sont " la partie h!draulique et la partie mécanique. La partie h!draulique est l’ensemble oB circule la boue avec tous les éléments qui contribuent au mouvement de l’aspiration et de refoulement. Cette partie est formée par trois chambres renfermant les pistons. Chaque chambre est munie de deux soupapes, l’une d’aspiration et l’autre de refoulement. la partie inférieure on a prévu un collecteur d’aspiration avec un amortisseur de pulsation qui emp%che l’air de pénétrer dans la pompe pendant la phase d’aspiration, et à la partie supérieure un collecteur de refoulement avec le corps de l’amortisseur de pulsation.
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D8
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La partie mécanique est constituée d’un bEti qui supporte toutes les pi*ces composées de l’attelage " cha-ne de transmission, pignons, arbre
d’attaque,
excentrique, crosses, rallonges de crosse. Ces pi*ces transforment le mouvement de rotation continue en mouvement de translation alternative des pistons par l’intermédiaire des tiges pistons.
IV-0 CONST(CTION DE LA POMPE OIL ELL A1+.. PT La pompe FL G(LL +D889H est constituée comme suit "
•
*+ #h,ssis .I/
Le chEssis 4I) 5figure 86 est constitué par des poutres en acier, parall*les aux axes des c!lindres, il sert à supporter le poids du bEti de la partie mécanique, et celui du corps de la partie h!draulique.
9artie mécanique
9artie h!draulique
Le chEssis 4I) FHC 2007
F/ure IV-.2)
D+ 9ompe à boue de forage H!pe triplex simple effet
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IV--1 Partie mé#a!ique $es pompes $e 'ora"e C’est la partie qui assure la transmission de la puissance du moteur d’entra-nement au piston de la pompe. IV--1-1 #omposa!ts $e la partie mé#a!ique
•
*e b,ti ou #arter
l est en acier moulé oB en t7le d2acier assemblé par mécano J soudure. )ans ce dernier cas, le sAid et le bEti sont généralement intégrés. Le bEti sert de carter pour l2huile de graissage. l doit donc %tre étanche et permettre un contr7le rapide du niveau et une vidange facile de l2huile. La lubrification est en général réalisée par barbotage. /n couvercle supérieur et des portes de visite latérales permettent d2effectuer rapidement et facilement l2inspection ou les réglages nécessaires.
•
Tra!smissio! et #ouple $e!"re!a"e (*e sst4me $5e!tra6!eme!t&
La puissance qui arrive à l’arbre d’attaque de la pompe est développée par la rotation de deux moteurs électriques d’entra-nement alimentées en courant continu produit par les génératrices de courant liée aux CHK9LK. La transmission entre les moteurs d’entra-nement et l’arbre d’attaque de la pompe se fait par cha-ne. Les deux extrémités de l’arbre sont identiques, ce qui permet l’entra-nement d’un c7té comme de l’autre.
•
*5arbre "ra!$e vitesse
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C2est l2arbre d2entra-nement de la pompe 5figure 8&6. l est supporté par deux paliers à roulements et entra-ne, par l2intermédiaire du pignon à denture oblique, la roue dentée de l2arbre petite vitesse 5vilebrequin6.
•
*5arbre petite vitesse ou vilebrequi!
Cet arbre a une forme coudée 5excentrique6 pour permettre le décalage des courses des pistons dans les chemises, de +8? pour les pompes triplex et de <8? pour les duplex. Le diam*tre de la roue dentée de cet arbre est égal à ou @ fois celui du pignon de l’arbre d’entrée, ce qui fait qu2elle tourne à @ fois moins vite. insi par exemple pour une vitesse à l2entrée de &88 trs>mn, la vitesse de l2arbre petite vitesse sera de @8 tour>min 5figure 8&6.
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D&
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9orte roulement. Koulement de l’excentrique. Carter d’huile. Koulement de bielle. L’excentrique. Koue d’entée. La couronne d’entée. Chapeau de bielle.
+
<
0
9laque de retenu. +8 rbre
&
d’intra-nement.
D
@
'
F/ure IV- .&) 9artie mécanique de la pompe à boue
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DD
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st4me bielle ma!ivelle
4ur le vilebrequin sont montées trois bielles dans la pompe triplex 5figure 8D6. Les t%tes des bielles sont montées sur le vilebrequin, les pieds sur les crosses. L2articulation des t%tes de bielle sur le vilebrequin et des pieds sur les crosses se fait par l2intermédiaire de roulements. Cet ensemble forme un s!st*me bielle manivelle qui transforme le mouvement de rotation de l2arbre petite vitesse en un mouvement alternatif de l2extrémité de la bielle articulée à la crosse. •
*a #rosse et la rallo!"e $e #rosse Les crosses 5figure 8D6 montées sur les pieds des bielles par l’intermédiaire
de roulements sont guidées par des tuiles. (lles coulissent dans une glissi*re et est prolongée par la rallonge de crosse sur laquelle vient se fixer la tige du piston. La fixation des rallonges de crosses aux tiges de pistons se fait par
Chapitre IV boue •
Etude et technologie de la pompe à
st4me bielle ma!ivelle
4ur le vilebrequin sont montées trois bielles dans la pompe triplex 5figure 8D6. Les t%tes des bielles sont montées sur le vilebrequin, les pieds sur les crosses. L2articulation des t%tes de bielle sur le vilebrequin et des pieds sur les crosses se fait par l2intermédiaire de roulements. Cet ensemble forme un s!st*me bielle manivelle qui transforme le mouvement de rotation de l2arbre petite vitesse en un mouvement alternatif de l2extrémité de la bielle articulée à la crosse. •
*a #rosse et la rallo!"e $e #rosse Les crosses 5figure 8D6 montées sur les pieds des bielles par l’intermédiaire
de roulements sont guidées par des tuiles. (lles coulissent dans une glissi*re et est prolongée par la rallonge de crosse sur laquelle vient se fixer la tige du piston. La fixation des rallonges de crosses aux tiges de pistons se fait par l2intermédiaire de colliers de serrage pour les pompes triplex.
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ouleme%ts Ar#re /ra% vtesse
Ar#re pett vtesse
Porte e 5o%tr6le
*lss3re 4 5rosse
'elle
F/ure IV-.+) 4!st*me bielle manivelle FHC 2007
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D@
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IV--1-2 st4me $e lubri'i#atio! ( 7/ure .0)
Le graissage du mécanisme est généralement réalisé par quatre modes "
Par sous presso% " pour les glissi*res supérieures et inférieures # Par é5ouleme%t " les roulements de l’excentrique, l’arbre d’entra-nement # les trois roulements des bielles, les trois roulements et les trois axes des crosshaed, et les crosshaed.
Par #ar#ota/e " la couronne d’entée, le pignon d’entra-nement, l’excentrique, les bielles.
Par é5la#oussure " les roulements de l’arbre d’entra-nement.
Chapitre IV boue
Etude et technologie de la pompe à
IV--1-2 st4me $e lubri'i#atio! ( 7/ure .0)
Le graissage du mécanisme est généralement réalisé par quatre modes "
Par sous presso% " pour les glissi*res supérieures et inférieures # Par é5ouleme%t " les roulements de l’excentrique, l’arbre d’entra-nement # les trois roulements des bielles, les trois roulements et les trois axes des crosshaed, et les crosshaed.
Par #ar#ota/e " la couronne d’entée, le pignon d’entra-nement, l’excentrique, les bielles.
Par é5la#oussure " les roulements de l’arbre d’entra-nement. 89 la pompe à boue aspire l’huile de graissage 5TI* 1:06. Le bac d’huile est rempli de deux faMons " 1- par la pompe à huile 5pompe à engrenage6. 2- par les entonnoirs fixés pr*s de l’engr*nement. insi que la lubrification des cha-nes se fait sous pression grEce à deux pompes une pour chaque cha-ne dont l’entra-nement se fait depuis le moteur principal.
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IV--2 Partie h$raulique $es pompes $e 'ora"e La partie h!draulique est constituée de trois c!lindres identiques. )ans chaque c!lindre se trouve une chemise dans laquelle coulisse un piston prolongé par une tige qui le relie à la rallonge de crosse. u bout des c!lindres se trouvent les clapets " clapet d’aspiration et l’autre de refoulement. Chaque clapet repose sur son si*ge.
IV--2-1 Composa!ts $e la partie h$raulique •
Le 5orps 89raul!ue " 7/ure .:)
l est en acier moulé, fixé sur le sAid et au carter de la partie mécanique de la pompe, il sert de logement, pour les pi*ces d’usure, la chemise, clapets et les tiges des pistons. Le corps est obturé par des couvercles filetés et des portes des couvercles boulonnés à la partie supérieure oB l’on trouve un collecteur de refoulement qui lié entre les sorties de refoulement, et ces couvercles qui maintiennent ou prot*gent les clapets, ils sont vissés ce qui augmente la rapidité de démontage et remontage. •
*es #hemises )e petite taille comparativement à celles des pompes duplex, elles sont
faciles à monter, à démonter et à entretenir. (lles sont montées par l2arri*re ou par l2avant sans emmanchement ni centrage. /n s!st*me d2arrosage permet la lubrification et le refroidissement de l2arri*re du piston et de la chemise (figure 07).
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Etude et technologie de la pompe à
Clapet de refoulement 9iston
Hige de piston
Clapet d’aspiration
Kessort
7/ure IV-.;) Chemise de piston Chemise 4!st*me de refroidissement
F/ure IV-.:) 9artie h!draulique de la pompe à boue FHC 2007
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Chapitre IV boue
•
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Etude et technologie de la pompe à
*e pisto!
Le piston (figure 08) comporte une seule garniture 5c!cle simple effet6. Le corps du piston poss*de un alésage c!lindrique qui permet un montage et un démontage aisés 5un simple 3oint torique assure l2étanchéité6. Les garnitures en caoutchouc forment des 3oints étanches entre le piston et la chemise. •
*a ti"e $e pisto!
La tige de piston classique ( figure 09 ) est éliminée pour %tre remplacée par une tige courte et lég*re dont les caractéristiques principales sont " - L’absence de finition extérieure puisqu’il n’! a plus de presseétoupe# - L’absence de filetage d’extrémité c7té rallonge de crosse remplacé par un talon et un clamp de montage et démontage aisé# - Le poids et les dimensions faibles# /ne durée de vie tr*s longue 5absence de presseétoupe6#
Chapitre IV boue
•
Etude et technologie de la pompe à
*e pisto!
Le piston (figure 08) comporte une seule garniture 5c!cle simple effet6. Le corps du piston poss*de un alésage c!lindrique qui permet un montage et un démontage aisés 5un simple 3oint torique assure l2étanchéité6. Les garnitures en caoutchouc forment des 3oints étanches entre le piston et la chemise. •
*a ti"e $e pisto!
La tige de piston classique ( figure 09 ) est éliminée pour %tre remplacée par une tige courte et lég*re dont les caractéristiques principales sont " - L’absence de finition extérieure puisqu’il n’! a plus de presseétoupe# - L’absence de filetage d’extrémité c7té rallonge de crosse remplacé par un talon et un clamp de montage et démontage aisé# - Le poids et les dimensions faibles# - /ne durée de vie tr*s longue 5absence de presseétoupe6# - /n remplacement tr*s aisé de l’ensemble piston et tige de piston.
•
*es si4"es et les #lapets
Chaque clapet (figure 10) est constitué d’un corps, d’une garniture et d’un s!st*me de fixation de la garniture. Leur principal avantage est d’%tre de diam*tre plus faible donc " -
-
-
-
9lus résistants pour des pressions identiques# :oins lourds donc moins su3ets au choc# 9lus aisés à extraire# :oins coNteux à l’achat.
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Chapitre IV boue
Etude et technologie de la pompe à
Oarniture de piston Coupelle
Corps de piston
Circlips
F/ure IV-.<) Le piston
F/ure IV-.=) La tige de piston
Ouide supérieur Clapet Oarniture de clapet
Ouide inférieur 4i*ge
F/ure IV-1.) Le si*ge et clapet
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Chapitre IV boue
•
1>
Etude et technologie de la pompe à
*es amortisseurs $e pulsatio!
Sur le re7ouleme%t 7/ure 11)
Le débit instantané d2une pompe étant irrégulier, surtout pour les pompes duplex, il ! a des variations de pression importantes qui provoquent des vibrations et des chocs néfastes sur la pompe et sur tout le circuit de refoulement. 9our réduire ces effets, on équipe la pompe de forage d2un amortisseur de pulsations sur le refoulement, préchargé à l2air ou à l2aPote à Q de la pression maximale de service de la pompe. Lorsque la pompe travaille, la boue pén*tre sous la membrane et la comprime. Le volume de l2aPote diminue si la pression de refoulement augmente et augmente si elle diminue, régularisant ainsi le débit et les fluctuations de pression. La pression de précharge est contr7lée à l2aide d2un manom*tre situé à sa partie supérieure.
F/ure IV-11) mortisseur de pulsation c7té refoulement
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Chapitre IV boue
2>
Etude et technologie de la pompe à
ur l5aspiratio!
7/ure 12)
Le mouvement des clapets d2aspiration crée une variation tr*s rapide de la pression de la boue dans la conduite d2aspiration des pompes triplex. Fn installe un amortisseur de pulsation sur l2aspiration pour réduire ce phénom*ne. Cet amortisseur comprend une membrane séparant la boue en dessous de l2air au dessus comprimé à D8 psi. (n fonctionnant normalement, le dessus de la membrane appara-tra dans l2axe du regard de contr7le.
F/ure IV-12) L’amortisseur de pulsation C7té d’aspiration
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&
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Chapitre IV boue
•
Etude et technologie de la pompe à
*a soupape $e sé#urité
La soupape de sécurité (figure 13) est placée 3uste à la sortie des pompes et a pour r7le de protéger le circuit de refoulement contre les surpressions. l existe deux t!pes de la soupape " a& oupape ; ressort b& oupape ; #lou
F/ure IV-1&) Les soupapes de sécurité IV--2-2 st4me $e re'roi$isseme!t
La partie h!draulique 5couple chemise piston6 nécessite un refroidissement intense suite au frottement et à la chaleur dessipée. 9our cela la pompe à boue FL G(LL +D889H est menu d’une pompe centrifuge à eau. Cette pompe aspire l’eau à partir des bacs d’eau et la refoule sous forme des 3ets continue sur l’ensemble 5chemise piston6. (n suite l’eau va s’écoule dans un bac au dessus de la partie h!draulique.
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Chapitre IV boue
Etude et technologie de la pompe à
@
0
+
l’excentrique de la pompe.
L’arbre d’attaque. &
Le corps de la pompe. ;ac d’eau. L’extrimite de l’arbre d’attaque. Le palier. 4upport de la pompe d’arrosage. Les cha-nes de transmission. La pompe centrifuge d’arrosage. Les tu!aux de refroidissement. 1lexible d’arrosage. :anom*tre de pression. rbre de la roue.
'
0
<
++
+8
+
D
+&
F/ure IV-.0) 4!st*me refroidissement de la partie mécanique
FHC 2007
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Chapitre IV Etude et technologie de la pompe à boue Tableau $e #ara#téristique $e la pompe ; boue
Dam3tre e
e% pou5e
La 58emse
e% mm
pression max de refoulement la vitesse
; 1?+
;
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: 1?2
: 1?+
:
0 1?2
0
+ 1?2
+
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FHC 2007
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Chapitre IV Etude et technologie de la pompe à boue Tableau $e #ara#téristique $e la pompe ; boue
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FHC 2007
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Chapitre IV boue
IMC 02
Etude et technologie de la pompe à
IV--3 Mise e! parall4le $e $eu% pompes Les pompes à boue placées en parall*le (figure 14 ) permettent d’additionner les débits, la pression maximale d’utilisation étant la plus faible des pressions maximales de chacune des deux pompes dans leurs conditions propres de service. )ans ce cas, les pompes aspirent chacune par une conduite différente et refoulant dans la m%me conduite. Ces pratiques nécessitent certaines précautions afin d’éviter des surcharges et des détériorations rapides des pompes. /n ou deux amortisseurs de pulsation sont indispensables pour préserver des coups et des vibrations.
Chapitre IV boue
Etude et technologie de la pompe à
IV--3 Mise e! parall4le $e $eu% pompes Les pompes à boue placées en parall*le (figure 14 ) permettent d’additionner les débits, la pression maximale d’utilisation étant la plus faible des pressions maximales de chacune des deux pompes dans leurs conditions propres de service. )ans ce cas, les pompes aspirent chacune par une conduite différente et refoulant dans la m%me conduite. Ces pratiques nécessitent certaines précautions afin d’éviter des surcharges et des détériorations rapides des pompes. /n ou deux amortisseurs de pulsation sont indispensables pour préserver des coups et des vibrations.
F/ure IV-1+) Mise en parallle de deu! pompes à boue
IV--: Mise e! série $eu% pompes u début, deux pompes ne peuvent %tre placées en série que si elles sont identiques et parfaitement s!nchronisées. La mise en série de deux pompes signifie que la premi*re pompe refoule dans l’aspiration de la seconde. Le débit reste égal à celui de chacune de deux pompes, mais la pression maximale d’utilisation pour le débit se trouve %tre doublée.
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Chapitre IV boue
Etude et technologie de la pompe à
IV-- *es pompes $e suralime!tatio!
)ans un c!lindre, la vitesse du piston passe de la valeur nulle au début de sa course à la valeur maximale au milieu. Les forces d2inertie de ce mouvement irrégulier gén*rent des pertes de charges supplémentaires, qui créent dans le liquide des cavités remplies d2air " c2est la cavitation, qui provoque des coups de bélier, des cognements et des vibrations, ce qui entra-ne l2usure rapide des pi*ces en contact avec le liquide. L2utilisation des pompes centrifuges de basse pression de suralimentation par l2intermédiaire desquelles les pompes à boue aspirent des bacs permet d2obtenir un meilleur remplissage des c!lindres, ce qui diminue les coups de bélier. Le débit obtenu est plus grand et le rendement volumétrique devient maximal. Ces pompes aspirent directement des bacs et refoulent dans la conduite d2aspiration des pompes de forage. (lles sont entra-nées par un moteur électrique. Ces pompes doivent avoir un débit et une pression suffisants pour répondre aux besoins des pompes de forage à débit maximum.
IV-: E@PLOITATION DES POMPES A 'O(E
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Chapitre IV boue
Etude et technologie de la pompe à
u début de forage d’un puits, les pompes à boue sont équipées de chemises d’alésage maximal. u fur et à mesure que le forage s’approfondie, la pression de refoulement augmente et lorsqu’elle atteint la valeur critique pour le débit utilisé, on est amené à équiper les pompes à boue avec des chemises de diam*tre inférieur, le débit étant alors plus faible, tandis que la pression augmente. Fn peut lorsqu’une seule pompe est impuissante à fournir le débit voulu, utiliser les deux pompes à boue disponibles sur le chantier en les faisant fonctionner en parall*le.
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